Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи исследований... 9
1.1. Проблема использования незерновой части урожая в корм скоту 9
1.2. Современные представления о природе и механизме повышения переваримости соломы 10
1.3. Способы повышения кормовой ценности соломы 23
1.4. Возможности электрического тока как технологического фактора и анализ результатов исследований по использованию электрического тока для обработки кормов... 31
1.5. Технологические и технико-зконошіческие аспекты электротехнологии обработки кормов 39
1.6. Постановка задачи исследований 40
2. Теоретические предпосылки 42
2.1. Свойства соломенной ткани как объекта воздействия электрического тока 42
2.2. Теоретическое описание технологического действия электрического тока 48
2.3. Теоретическое описание влияния параметров обработки соломы при ЭТХО на ее эффективность 59
3. Экспериментальные исследования 77
3.1. Задачи экспериментальных исследований 77
3.2. Методика и техника эксперимента 77
3.2.1. Влияние электрического поля на пропитку соломы раст вором 79
3.2.2.Влияние электрического поля на степень диссоциации химреагента 84
3.2.3. Исследование изменений щелочности составляющих системы солома-раствор 86
3.2.4. Исследование электрических характеристик нативнои соломенной ткани и увлажненной дистиллатом 8?
3.2.5. Исследование природы проводимости соломенной ткани 94
3.2.6. Исследование электрических характеристик соломенной ткани, насыщенной раствором щелочей 99
3.2.7. Исследование вольт-амперных характеристик соломенной массы 106
3.2.8. Определение составляющих электрической схемы заме-прения соломенной массы и доли тока взаимодействующего с растительной тканью 106
3.2.9. Исследование явлений воздействия электрического тока на процесс ЭТХО соломы методами микробиологии, спектроскопии и микрофотографирования 116
3.2.10.Исследование влияния параметров электрического тока на эффективность обработки 124
3.2.11. .Исследование влияния параметров обработки на ее глубину 128
3.3. Обсуждение результатов экспериментальных исследований и их сопоставление с теоретическими пред положениями 134
4. Практическая реализация и технико-экономическая эффективность результатов исследований 143
4.1. Математическое моделирование процесса электротер мохимической обработки соломы и оптимизации ее параметров 145
4.1.1. Исследование кинетики процесса 149
4.1.2. Исследование энергетики процесса 153
4.1.3. Формулирование задачи и оптимизация параметров обработки 157
4.2. Аппаратурное оформление технологии 164
4.3. Лабораторные исследования и производственная проверка разработанной технологии обработки соломы и устройства , ее реализующего 167
4.1. Технико-экономическая эффективность результатов исследований 173
Выводы 182
Литература 186
Приложения is8
- Современные представления о природе и механизме повышения переваримости соломы
- Теоретическое описание технологического действия электрического тока
- Влияние электрического поля на пропитку соломы раст вором
- Исследование кинетики процесса
Введение к работе
Повышение материального благосостояния советского народа, создание материально-технической базы коммунизма неразрывно связаны с обеспечением все возрастающих потребностей промышленности и населения в сырье и продуктах питания, что является важнейшей задачей агропромышленного комплекса [I] .
В последние годы принят ряд постановлений, направленных на всемерный подъем сельского хозяйства, повышение его эффективности.
Животноводство, являясь составной частью сельского хозяйства, призвано сыграть значительную роль в достижении главной цели и поэтому во всех постановлениях особо подчеркивается необходимость его всемерного развития. Согласно заданий Продовольственной программы СССР [2] планируется произвести: мяса в (убойном весе) в 1985 17...17,5 млнт, в 1990 - 20...20,5 млн.т; молока - соответственно - 97...99 и I04-...I06 млн.т. В Белорусской ССР планируется довести потребление мяса и мясопродуктов в переводе на мясо в 1985 году до 67 кг/душу населения, а в 1990 году - до 76 кг/душу; общее производство мяса к 1990 г. до 1600 тыс.т, из них говядина должна составить (в убойном весе) в 1985 году - 521 тыс.т, в 1990 г. - 615 тыс.т* [3] .
Решение этих грандиозных задач немыслимо без создания прочной кормовой базы. При этом необходимо ориентироваться на обеспечение собственными кормами [I] , улучшение их качества, вовлечение в кормовой баланс ранее не использовавшихся или мало использовавшихся кормов, а также отходов производства.
Одним из основных отходов зернового производства является солома, которой заготавливается в СССР около 200 млн.т. При надлежащей подготовке солома, обладающая в нативном состоянии низкой кормовой ценностью, может быть преобразована в качественный гру-
бый корм.
Существует ряд технологий обработки, получивших большее или меньшее распространение, хотя и недостаточно удовлетворяющих требованиям по энергоемкости, технологичности, приспособленности к современным техническим тенденциям индустриализации сельского хозяйства и одной из ее молодых отраслей - кормопроизводства.
В этом направлении перспективно, как показали предварительные исследования и опыт других отраслей, применение для обработки соломы электрического тока.
Электрический ток, как технологический фактор широко распространен при сепарации и стимуляции семян, электромелиорации почв, очистке стоков и т.д. Однако, как справедливо указывал академик Александров А.П. [б] , несмотря на успехи применения различных видов воздействия на сельскохозяйственную продукцию и животных и достижение положительного эффекта без знания глубинного механизма происходящих явлений не может идти речь о научно обоснованных рекомендациях, гарантирующих достижение декларирующихся экономических и технических преимуществ предлагаемых технологий.
Учитывая вышеизложенное, а также результаты поисковых исследований и исследований Гайдука Н.В., Камовича А.П., Николаен-ка М.М. была определена цель настоящей работы, заключающаяся в выявлении и исследовании технологического действия электрического тока на процесс электротермохимической обработки соломы и обоснований его параметров при обработке в щелочных средах.
Для достижения поставленной цели в работе проанализированы представления о природе и механизме повышения кормовой ценности соломы, существующие способы обработки, оценены возможности электрического тока как технологического фактора с учетом опыта его применения в других отраслях и сферах сельскохозяйственного про-
изводства, доказана целесообразность использования электрического тока как технологического фактора. Разработана теоретическая модель процесса обработки и влияния на нее электрического тока, исследованы отдельные его технологические проявления, доказано действие тока как особого комплексного технологического фактора, обоснованы рекомендации по совершенствованию параметров обработки, предложены конструкции установки и преобразователя. Изготовлены и исследованы в производственных условиях установки, реализующие предложенную технологию обработки, проведен сравнительный технико-экономический анализ применения устройств и технологии.
По итогам проделанной работы на защиту вынесены следующие основные положения: о целесообразности использования электрического тока при электротермохимической обработке кормов; об электрическом токе как особом комплексном технологическом факторе; электрическая схема замещения обрабатываемой массы; рекомендации по совершенствованию параметров обработки (влажности, температуре, напряженности поля, коэффициенте ассиметрии, частоте тока); особенности конструкции электротехнологических установок, условий эксплуатации, технико-экономическая эффективность применения предлагаемой технологии и устройств.
Работа выполнена в 1977...1984 годах на кафедре электротехнологии сельскохозяйственного производства Белорусского института механизации сельского хозяйства. Автор работы выражает искреннюю благодарность сотрудникам кафедры Николаенку М.М., Корко B.C.; лаборатории "Молекулярной спектроскопии" Стригуцкой Т.А., кафедры органической химии Резникову В.М., Алексееву А.Д., Танненба-ум А.Э.; кафедры защиты леса Сенюкову Н.П. -БТИ им.С.М.Кирова; кафедры полупроводников БГУ им.В.И.Ленина Соболеву Н.И.; инсти-
тута микробиологии АН БССР Лобанку А.Г., Романову С.Л., Павловской JLM. и БелНИИЖ Авраменко П.С, Вербич О.А., Медведько Н.И. за консультацию и техническую помощь в постановке опытов.
Современные представления о природе и механизме повышения переваримости соломы
Наибольшее распространение как у нас, так и за рубежом, получила теория профессора А.П.Кормщикова [?,8] . Согласно разработанной им теории лигнинового комплекса предполагается, что низкая переваримость необработанной соломы обусловлена инкрустирующим влиянием лигнина, затрудняющим доступ микроорганизмов к клетчатке растительной ткани. Поэтому нет необходимости удалять лигнин из растений, так как он может вступать в химические связи не только с клетчаткой, но и образовывать подвижные солеобразные соединения со щелочами и азотистыми основаниями.
Делигнификация соломы (разрушение целлюлозно-лигнинового комплекса) рассматривается как сложный процесс, при котором разрушаются химические связи лигнина с клетчаткой и образуются соли лигнина (лигнаты). Освободившаяся при этом клетчатка переваривается микроорганизмами рубца жвачных животных. Заканчивается процесс полным завершением химических реакций между щелочью и лигнином в слабощелочной среде.
В соответствии с теорией А.П.Кормщикова результаты исследований [7] можно объяснить различной степенью делигнификации соломы при различных условиях обработки. Так, щелочная обработка способствует более высокой деструкции лигнинового комплекса [8] , освобождению клетчатки и, следовательно, повышению переваримости соломы, чем кислотная, которая наоборот способствует сшиванию структурных фрагментов.
Изменение рН среды можно объяснить не отрывом ацетильных групп, а использованием щелочи для нейтрализации радикальных фрагментов лигнина с образованием солей лигнина (лигнатов). Однако и клетчатка (целлюлоза) соломы также должна подвергаться обработке, т.к. природная целлюлоза обладает высокой степенью полимеризации, возможно образование кристаллических участков и поэтому с трудом расщепляется ферментам, выделяемыми микроорганизмами рубца животного. Следовательно, для успешного решения задачи повышения переваримости корма необходимо не только расщепить лигнино-целлюлоз-ный комплекс, но и определенным образом подготовить целлюлозу растений к скармливанию. Процессы, влияющие на пищеварение, можно разделить на механические, химические и микробиологические. Механические включают измельчение пищи и ее проталкивание в пищеварительный тракт, т.е. пережевывание корма и мускульные сокращения пищеварительного тракта. Химическое действие осуществляется ферментами как выделяемыми животными, так и растительными, присутствующими в поступае-мых кормах. Расщепляют они корм путем гидролиза за исключением пепсина, ренина и протоолитических ферментов. Микробиальное переваривание (также ферментативное) осуществляется бактериями и простейшими микроорганизмами.
В связи с физиологическими особенностями эффективное переваривание грубых кормов возможно лишь жвачными животными, желудок которых имеет достаточно большой объем.
Процесс пищеварения протекает следующим образом. Корм,обильно смоченный слюной уже в ротовой полости, поступает в первый отдел желудка животного - рубец. Содержимое рубца непрерывно перемешивается благодаря ритмическим сокращениям его стенок, и грубые материалы, находящиеся в переднем конце, когда животное жует жвачку, отрыгиваются, пережевываются и возвращаются в рубец. Химическое воздействие осуществляется ферментами, которые секрети-руются бактериями.
В рубце происходит в основном расщепление углеводов. Главными конечными продуктами расщепления являются уксусная, пропио-новая и масляная кислоты. Большая часть продуцируемых кислот всасывается в рубце, сетке и книжке, хотя некоторое количество может проходить через сычуг и всасываться в тонком кишечнике.
Комбинированные сокращения рубца и сетки способствуют прохождению мелких частиц корма в книжку. Здесь из пищевой массы перед прохождением в сычуг удаляется вода. В сычуге выделяется желудочный сок и пепсин, которые воздействуют на пищу и расщепляют ее на составляющие.
Как видно, основной процесс переваривания грубого корма, состоящего на 80% из целлюлозы, должен заканчиваться практически в рубце животного. Для нормальной жизнедеятельности бактерий и простейших рубца среда должна быть слабощелочной. Степень переваривания целлюлозы в рубце зависит главным образом от степени лигнификации растительного материала и степени кристалличности целлюлозы. Так, молодые пастбищные травы, содержащие 5% лигнина, перевариваются на 80$, а в более зрелых, содержащих до 10$ лигнина, доля переваренной целлюлозы составляет менее 60% [в] . Ферментативное осахаривание кристаллизованной целлюлозы в 1,5-2 раза ниже, чем мерсеризированной [Ю] .
Согласно теории А.П.Кормщикова слюна, содержащая большое количество щелочи, воздействует на растительную ткань, расщепляет лигниновый комплекс и способствует освобождению клетчатки.
В установках по обработке соломы происходит в некотором роде моделирование процессов, протекающих в пищеварительном тракте и ротовой полости под воздействием щелочи слюны. Для того, чтобы управлять этим процессом, необходимо знать свойства составляющих комплекса, их взаимосвязь и их химическую активность. Большинство современных исследователей в области лигнина и целлюлозы склоняются к тому, что взаимосвязь их носит не механический, или точнее, не чисто механический характер, а имеет место и химическое взаимодействие. Рассмотрим подробнее составляющие комплекса. Целлюлоза - полисахарид, макромолекулы которого состоят из элементарных звеньев 6-Ю - глюкопиранозы, соединенных гликозид-ными связяш 1-4. Степень полимеризации - 6000-10000единиц. При гидролизе дает Д-глюкозу. Лигнин - продукт полимеризации кониферилового, силанового и п-кумарового спирта и других соединений типа С6- С [II] . Однако окончательного решения по вопросу исходных составляющих лигнина нет, так как выделить лигнин в чистом виде не удавалось; лигнин, полученный различными способами отличается цветом, молекулярной массой, реакционной способностью.
Теоретическое описание технологического действия электрического тока
Рассмотренные в п.2.1 свойства растительной ткани как объекта воздействия электрического тока позволяют предполагать наличие собственной проводимости соломенной ткани за счет диссоциации ее функциональных групп и миграционной поляризации. Однако, собственно, важен не сам факт протекания тока и изменение концетра-ции химреагента в том или ином сечении растительной ткани. Необходимо чтобы это приводило к желаемому результату - повышению эффективности обработки.
Процесс накопления ионов химреагента в зоне реакции и собственно химические превращения вследствие перехода ионов в растительную ткань и последующего взаимодействия условно разделим для облегчения описания процесса на два: транспортировку в зону реакции и перенос (собственно взаимодействие с растительной тканью), За границу раздела примем плоскость плотной части двойного слоя. Диффузия в зону реакции вызвана изменением концентрации химреагента вследствие реакции и миграции, причем скорость реакции прямо пропорциональная концентрации. В - коэффициенты, учитывающие соответственно повышение диссоциации при наложении электрического поля;диф 50 фузионнуга и миграционную составляющие потока ионов в зону реакции.
При концентрировании ионов химреагента на реакционной поверхности в зоне реакции образуется скачок потенциала (локальный объемный заряд), величина которого влияет на скорость реакций замещения (рис.2.3). Внешнее поле деформирует этот потенциал.Уподобив растительную ткань электроду можно записать для потока ионов при обмене [71] где f - потенциал внутреннего поля; Р - потенциал внешнего поля. Подставив в (2.21) значение концентрации на реакционной поверхности можно найти скорость реакции на единице поверхности,а с учетом (2.20) и (I.I) .
Двойной слой на границе раздела соломина-электролит (химреагент), А-схематическое изображение распределения ионов; Б-раопределение потенциалов Уравнением (2.22) определяется непосредственно технологическое действие электрического поля. Эффективность такого воздействия имеет сложную зависимость от параметров внешнего поля,концентрации исходного химреагента, температурных условий обработки. Причем, технологическое действие собственно электрического тока нельзя рассматривать в отрыве от сложного комплекса изменений, протекающих в системе, так как скорость химической реакции при ионном замещении есть не что иное,как изменение концентрации заряженных частиц в зоне химической реакции, а изменение концентрации заряженных части есть не что иное, как ток. Представляется целесообразным для удобства описания поведения системы в целом представить теоретически действие как отдельный ток химической реакции, входящий в общий ток, протекающий по системе и систему моделировать электрической схемой замещения.
Влияние электрического поля на пропитку соломы раст вором
Визуальный контроль за скоростью пропитки соломенной ткани в электрическом поле затруднен, так как соломенная ткань обладает высокой пористостью и для получения срезов необходимо привлечение микротомов. Однако сам процесс микротомирования требует подготовительных операций, которые существенно нарушают микрострук -туру ткани.
В то же время древесная ткань, особенно лиственных пород, по структуре схожа с тканью соломины и логично предположить, что если электрическое поле оказывает влияние на пропитку плотной дре -весной ткани, то тем более его действие должно проявляться при пропитке соломенной ткани. Нами было исследовано влияние электрического поля различных напряженностей на скорость пропитки осиновой древесины. Из осинового отруба длиной 2 м, диаметром 30 см вырезали кубики 3x3x3 см. Кубики высушивали в естественных условиях.
В ячейку с плоскими графитовыми электродами наливали подкрашенный чернилами раствор химреагента. Устанавливали требуемое напряжение на электродах ячейки и раствор доводили до кипения, в кипящий раствор пинцетом-держателем на I мин вносили два кубика, один из которых был ориентирован волокнами вдоль поля, другой поперек поля. По истечению минуты кубики вынимали из раствора, разрезали пополам, разрезы шлифовали. Один из образцов помещали в аналогичный подкрашенный раствор в емкость с косвенным подогре -вом.
Емкость с грузиком опускали в ячейку I, заполненную раствором химреагента. Динамометром 2 фиксировали начальную массу и затем через каждый 10 мин. текущее значение массы. От внешней сети к ячейке подавалось напряжение, величина которого устанавливалась до заполнения ячейки раствором. Уровень напряжения выбирали также с учетом исключения возможности нарушения контакта и чрезмерно интенсивного нагрева исследуемого раствора.
В соответствии с теоретическими положениями глав I и 2 по уравнениям (1.2),(1.3) и (2.20) бьшо аналитически расчитано повышение массопереноса применительно к условиям опыта. Для упрощения расчетов не учитывали взаимное тормозящее действие потоков катионов и анионов при наложении на систему электрического поля; градиент концентрации считали постоянным и равным определяемому по выражению (2.II); а зависимость количества раствора, проникшего в пористую структуру описывается уравнением [II].
Высказанные в п.2.1. предположения о наличии .диссоциации составляющих растительной ткани и реакциях ионного замещения между соломиной и раствором можно проверить по изменению щелочности составляющих системы.
Исследования проводили следующим образом: соломенную резку, измельченную до 4...5 см готовили из ржаной соломы урожая 1980г. учхоза им.Фрунзе БИМСХ.
Навеску 100 г соломенной резки замачивали в стеклянной ванночке в 500 мл дисталлата. После взбалтывания смеси в течение б ч на качалке рИ - метром (рН - 340) определяли рН вытяжки (настоянного раствора); рН раствора химреагента, содержащего Ь0/сМа2С05+і5Іо/\/аСЄ+ 2%С0(МНг)г в расчете на воздушно-сухую солому определили непосредственно перед обработкой. Данные заносили в табл.3.3. Щелочность соломенной резки и раствора после смешивания определяли следующим образом. Навеску 100 г соломенной резки увлажняли 200 мл раствора химреагента, тщательно перемешивали и выдер-живали в течение 20 мин. Затем увлажненную соломенную резку от -жимали на гидропрессе, собирали отжатый раствор и замеряли его рН .Из отжатой соломенной резки готовили вытяжку по вышеопи -санной методике.
Для проведения исследований была разработана установка (рис. 3,5), позволяющая быстро доводить температуру до необходимого уровня, а также достаточно точно ее поддерживать.
В установке на стеклянной стойке 9 закреплены два зажима 10. Стеклянная стойка крепится к фторопластовой крышке 6 стеклянного стакана I. Между стеклянным стаканом и фторопластовой крышкой имеется резиновая прокладка 4. Фторопластовая крышка плотно крепит -ся наверху стакана с помощью стяжных шпилек 3. Для контроля и измерения температуры в зоне расположения образца 13 используется хромель-копелевая термопара 14, свободный конец которой термоста-тирован в термостате 15 при Т - 0С. Рис. 3.5 Установка для исследования электрических свойств соломины
Напряжение на клеммах нагревателя контролируется с помощью вольтметра РУ1 В установке применена система, позволяющая быстро устанавливать и стабилизировать температуру среды внутри стакана. Для этой цели использован радиационный нагрев лампами 17 типа ИКЗК-220/250. Лампы расположены с двух противоположных сторон стакана, запитаны от автотрансформатора TV2 , позволяющего изменять интенсивность излучения и могут управляться как автоматически, так и вручную. Автоматическое управление осуществляется по температуре внутри стакана, которая контролируется с помощью термопары, включенная на вход одноточечного электронного потенциометра II типа ЭШ1-09. Электронный потенциометр осущест -вляет включение и выключение радиационных нагревателей.
Исследование кинетики процесса
В качестве кинетических кривых, характеризующих процесс делиг-нификации и повышения кормовой ценности были приняты, в соответствии с рекомендациями [Ю9].
Обрабатывали образцы соломы массой 100 г, измельченной до размера частиц 10-30 ш и увлажненной раствором химреагентов при W = I концентрация химреагента -50Іо/\/огС05+2%СО(/\/Нг)2+і5NaCE в расчете на воздушно-сухую солому. Обрабатываемую массу помещали в кювету с плоскопараллельной системой электродов, уплотняли и обрабатывали при заданной температуре в течение определенного планом эксперимента времени. После обработки массу отмывали, высушивали, измельчали и подвергали осахариванию. Результаты иссле дований представлены на рис. 4,1,..4,3.
Просчет константы реакции, приводящей к повышению степени осахаривания для параметров применявшегося модифицированного тока ( f = 20 Гц, Б= 9.IG2 В-лГ1, К3 = I, Ко= 0,5) по уравнению (3,5) показывает достаточное совпадение рассчитанной и экспериментально определенной констант, что подтверждает правильность предположений п,4.1 о влиянии параметров обработки на константу реакции и позволяет при расчете технологических установок по обработке и созданию модели учитывать изменение во времени только фактора температуры.
Исследования проводили путем калориметрирования. Экспериментальная установка (рис, 4.4, 4.о) включала емкость с водой І, в которую помещена стеклотекстолитовая ячейка 2 с плоскопараллельными графитовыми электродами 3, закрытая крышкой 4 с уплотняющей резиной Ь. Для измерения температуры соломенной массы 6 в крышку вмонтировали иглу с термопарой 7. Ячейку устанавливали в емкости на упорах 8. Температуру воды измеряли термометром 9, расход электроэнергии - счетчиком Ph »
Вопрос оптимизации параметров обработки является технико-экономическим, т.к. степень превращений или иначе глубина обработки может быть достигнута практически 100$, но это будет сопряжено со значительными затратами. Как известно, технико-экономическое сравнение вариантов осуществляется по приведенным затра З-ЕнК+и, где Ец - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; К - капиталовложения; U - ежегодные издержки. Как следует из [45] долю ежегодных издержек (до 50...60 ) составляют затраты на энергию. Энергоемкость обработки определяет и объем капиталовложений. Исхода из этого с определенныш допущениями можно принять, что 70...80$ приведенных затрат на обработку зависят от ее энергоемкости, т.е. 3 - Э Эффективность применения обработки в значительной мере определяется и конечным результатом - повышением продуктивности животных, которым скармливается более качественный корм.
Существует ряд способов нахождения максимума или минимума функций, нашедших соответствующее применение. Одним из наиболее полно разработанных являются классические методы с нахождением точек экстремума и последующего выбора глобального максимума или минимума. Однако их применение затруднено при наличии большого числа переменных, при наличии ограничений на параметры и сложности математических выражений. В таких случаях рекомендуется применение численных методов: прямого перебора,скорейшего подъема,случайного поиска, условного и приведенного градиентов, динамического программирования, вариационного исчисления, штрафных функций и т.д.
Выбор того или иного метода определяется требованиями к точности определения оптимальных параметров и объемом расчетных работ. Метод прямого перебора в случае многих переменных является неэффективным, т.к. значительно возрастает объем счетной работы и из-за бессистемного перебора нельзя определенно описать область оптимума .
Более совершенным и применимым к условиям нашей задачи является комплексный метод Бокса. Этот метод представляет собой модификацию метода деформируемого многогранника и предназначен для решения задачи нелинейного программирования с ограничениями-неравенствами. Для минимизации функции п переменных j-М в п -мерном пространстве строят многогранники, содержащие q, - л + 1 вершин. Эти многогранники называют комплексами, что и определило наименование метода.
Достоинствами комплексного метода Бокса являются его простота, удобство для программирования, надежность работы, йетод на каждом шаге использует информацию только в значениях целевой функции и функций ограничений задачи. Все это обусловливает успешное применение его для решения различных задач нелинейного программирования.
